DE102009033542A1

DE102009033542A1 - Protective unit for monitoring current flowing through flow path on basis of parameter, has arrangement for production of power supply, which is connected by switching-on unit at system

Info

Publication number: DE102009033542A1
Application number: DE200910033542
Authority: DE
Inventors: Michael Hahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: DE102009033542B4

Abstract

The protective unit has an arrangement for production of power supply (108), which is connected by a switching-on unit at the system. An actuating unit (116) is an actuator, particularly a magnetostrictive actuator. The actuating unit is impinged upon by an electromagnetic field of the current flowing through the flow path (103). The actuating unit is formed as electrical-mechanical or magnetic-mechanical converter. An independent claim is also included for an electrical switching arrangement, particularly low-voltage-circuit breaker.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinheit zur Überwachung eines durch eine Strombahn fließenden Stromes anhand vorgegebener Parameter, mit einem zu seinem Betrieb mit einer Hilfsenergie zu speisenden System und mit einer Anordnung zur Gewinnung der Hilfsenergie, die mittels einer Anschaltung an das System angeschlossen ist.The The invention relates to a protection unit for monitoring a current flowing through a current path based on predetermined Parameter, with one to be fed to its operation with an auxiliary power System and with an arrangement for obtaining the auxiliary power, the connected to the system by means of a connection.

Bei derartigen Schutzeinheiten soll die Hilfsenergie zum Betrieb des Systems, insbesondere zum Betrieb eines Auslösesystems, das einen Abschaltmechanismus betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn angeordneter Schaltkontakte bewirkt, möglichst nicht aus einer Batterie oder aus einem fremdgespeisten Hilfsnetz bezogen werden, da Batterien eine beschränkte Lebensdauer aufweisen und Hilfsnetze ausfallen können.at such protection units to the auxiliary power to operate the Systems, in particular for operating a triggering system, which actuates a shut-off mechanism that controls the automatic disconnection in the course of the current path arranged switching contacts causes possible not from a battery or from a foreign-powered auxiliary network because batteries have a limited life and auxiliary networks can fail.

Die Schutzeinheit, beispielsweise ein Auslösegerät in Form einer elektronischen Auslöseeinheit (electronic trip unit) eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einer elektronischen Auslöseschaltung oder andere elektronische Schutzgeräte für Niederspannungsnetze, soll also soweit möglich fremdenergieunabhängig sein.The Protection unit, for example a triggering device in the form of an electronic trip unit (electronic trip unit) of a low-voltage circuit breaker with an electronic Tripping circuit or other electronic protection devices for Low-voltage networks, should therefore as far as possible independent of external energy be.

Aus der Praxis ist es bekannt, die für die Funktion derartiger Systeme benötigte Hilfsenergie durch Wandler bereitzustellen, die einen Teil der Primärenergie des Hauptstrompfads bei Stromfluss nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators in von dem System nutzbare Hilfsenergie (z. B. Spannung) umzuwandeln.Out In practice, it is known that for the function of such Systems to provide auxiliary power through transducers, which contributes part of the primary energy of the main current path Current flow according to the principle of an electric transformer in to convert auxiliary power (e.g., voltage) usable by the system.

So zeigt die 1 eine schematische Darstellung einer aus der Praxis bekannten elektrischen Schaltanordnung 1 in Form des Niederspannungs-Leistungsschalters 3WN1 der Anmelderin, mit einer Schutzeinheit 2 zur Überwachung eines durch eine Strombahn 3 (Hauptstrompfad) fließenden Stromes. Bei dieser bekannten elektrischen Schaltanordnung wird ein Teil der Primärenergie des Hauptstrompfads bei Stromfluss nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators in Hilfsenergie zur Speisung eines Auslösesystems 4 in Form eines Überstromauslösers umgewandelt, wobei der Überstromauslöser in Abhängigkeit von vorgegebenen Parametern einen Abschaltmechanismus 5 in Form eines Schaltschlosses betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn angeordneter Schaltkontakte 6, 7 bewirkt. Hierzu weist die bekannte Schutzeinheit 2 eine Anordnung 8 zur Gewinnung der Hilfsenergie in Form eines nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators wirkenden Wandlers mit Eisenkern 9 und Spule 10 auf. Dieser Wandler ist über eine Anschaltung 11 in Form einer Gleichrichterschaltung an zwei Eingänge 12, 13 des Überstromauslösers zur Einsspeisung der Hilfsenergie angeschlossen und stellt die Energieversorgung des Überstromauslösers sicher.That's how it shows 1 a schematic representation of a known from practice electrical switching device 1 in the form of the low-voltage circuit breaker 3WN1 of the applicant, with a protective unit 2 to monitor one by a current path 3 (Main current path) flowing current. In this known electrical switching arrangement is a part of the primary energy of the main current path at current flow on the principle of an electrical transformer in auxiliary power for feeding a trigger system 4 converted in the form of an overcurrent release, the overcurrent release in response to predetermined parameters a shutdown mechanism 5 operated in the form of a switching mechanism, the automatic separation in the course of the current path arranged switching contacts 6 . 7 causes. For this purpose, the known protection unit 2 an arrangement 8th for obtaining the auxiliary energy in the form of an acting according to the principle of an electrical transformer transducer with iron core 9 and coil 10 on. This converter is via a connection 11 in the form of a rectifier circuit to two inputs 12 . 13 the overcurrent release for supplying the auxiliary power is connected and ensures the power supply of the overcurrent release safely.

Ebenfalls bekannt sind besondere Bauformen solcher Wandler, die einen weiten Primärenergiebereich dadurch abdecken, dass ihre Übertragungskennlinie stark nichtlinear ist. Derartige, Wandler mit stark nichtlinearer Übertragungskennlinie, die ebenfalls nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators wirken und hierzu auch Eisenkerne und Spulen aufweisen, kommen in der Praxis beispielsweise beim Leistungsschalter Sentron WL der Anmelderin zum Einsatz und versorgen dort ebenfalls einen Überstromauslöser mit Hilfsenergie.Also There are known special designs of such transducers that have a wide Cover primary energy range by providing their transfer characteristic is strongly nonlinear. Such, converters with a highly nonlinear transfer characteristic, which also according to the principle of an electrical transformer act and this also have iron cores and coils come in In practice, for example, at the circuit breaker Sentron WL the Applicant used and supply there also an overcurrent release with auxiliary power.

Eine andere gattungsgemäße Schutzeinheit ist beispielsweise aus der Patentschrift EP 1 016 112 B1 bekannt. Bei dieser bekannten Schutzeinheit in Form eines Niederspannungs-Leistungsschalters umfasst die Anordnung zur Gewinnung der Hilfsenergie einen als mechanisch-elektrischer Wandler ausgebildeten Generator, insbesondere einen piezoelektrischen Generator, und ein den Generator betätigendes Betätigungsglied. Das mit der Hilfsenergie zu speisende System ist ein Auslösesystem, das einen Abschaltmechanismus betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn (des Hauptstrompfades) angeordneter Schaltkontakte bewirkt, wobei der Generator mittels der Anschaltung an eine elektronische Auslöseschaltung und/oder eine auf den Abschaltmechanismus wirkende Betätigungseinrichtung des Auslösesystems angeschlossen ist. Dabei ist das Betätigungsglied Bestandteil einer durch Federkraft betriebenen Antriebsvorrichtung zum Schließen der Schaltkontakte, insbesondere ein schwenkbarer Hebel, der Bestandteil eines Antriebsgestänges der Antriebsvorrichtung ist.Another generic protection unit is for example from the patent EP 1 016 112 B1 known. In this known protection unit in the form of a low-voltage circuit breaker, the arrangement for obtaining the auxiliary power comprises a generator designed as a mechanical-electrical converter, in particular a piezoelectric generator, and an actuator actuating the generator. The system to be fed with the auxiliary power is a triggering system which operates a shut-off mechanism which effects the automatic disconnection in the course of the current path of the main current path, the generator being connected to an electronic trip circuit and / or to the shut-off mechanism by means of the connection Actuator of the release system is connected. In this case, the actuator is part of a spring-operated drive device for closing the switch contacts, in particular a pivotable lever, which is part of a drive linkage of the drive device.

Ausgehend von einer Schutzeinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die im Hauptstromkreis einer elektrischen Schaltanordnung vorhandene Energie für den Betrieb des Systems – insbesondere für den Betrieb einer elektronische Auslöseschaltung – nutzbar zu machen.outgoing from a protection unit according to the preamble of claim 1, the invention is based on the object, in the main circuit an electrical switching arrangement existing energy for the operation of the system - especially for the Operation of an electronic trip circuit - usable close.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Betätigungsglied ein vom elektromagnetischen Feld der Strom durchflossenen Strombahn beaufschlagter, als elektrisch-mechanischer oder magnetisch-mechanischer Wandler ausgebildeter Aktor, insbesondere ein magnetostriktiver Aktor ist.According to the Invention, this object is achieved in that the actuator a current flowing through the electromagnetic field of the current path acted as electrical-mechanical or magnetic-mechanical Converter trained actuator, in particular a magnetostrictive actuator is.

Wie schon bei der aus der Druckschrift EP 1 016 112 B1 bekannten Schutzeinheit wird auch hier statt Transformatoren mit Eisenkernen und Spulen ein mechanisch-elektrischer Wandler als Generator verwendet. Die Energie wird jedoch nicht aus einer durch Federkraft betriebenen Antriebsvorrichtung sondern aus der zu überwachenden Strombahn (dem Primärstromkreis) gewonnen. Das Betätigungsglied fungiert hier also als Übertrager zwischen der zu überwachenden Strombahn (Primärstromkreis) und dem Generator.As in the case of the publication EP 1 016 112 B1 Known protective unit is also used here instead of transformers with iron cores and coils a mechanical-electrical converter as a generator. However, the energy does not come from one obtained by spring force driven device but from the monitored current path (the primary circuit). The actuator thus acts here as a transformer between the current path to be monitored (primary circuit) and the generator.

An sich ist aus der Patentschrift DE 103 40 003 B4 ein piezoelektrischer Wandler bekannt, an dem die zu überwachende Strombahn vorbeigeführt ist und an dem eine ferromagnetische Platte, beispielsweise durch Kleben, angebracht ist, so dass an Anschlüssen des piezoelektrischen Wandlers eine Spannung abgegriffen werden kann, die dann als Signal zur Überlasterkennung von einer Elektronikeinheit ausgewertet wird. Der piezoelektrische Wandler dient hier also als Stromsensor und nicht als Anordnung zur Gewinnung einer Hilfsenergie für den Betrieb der Elektronikeinheit.In itself is from the patent DE 103 40 003 B4 a piezoelectric transducer is known, on which the current path to be monitored is guided past and on which a ferromagnetic plate, for example by gluing, is mounted, so that a voltage can be tapped at terminals of the piezoelectric transducer, which then evaluated as a signal for overload detection of an electronic unit becomes. The piezoelectric transducer thus serves as a current sensor and not as an arrangement for obtaining an auxiliary power for the operation of the electronic unit.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzeinheit wird dagegen ein Teil der ohnehin vorhandenen, vergleichsweise hohen bis sehr hohen Energie des Primärstroms mit kostengünstigen Mitteln zur Versorgung eines – insbesondere als Niedrigenergieverbraucher – ausgebildeten Systems, z. B. einer Schutzelektronik in Form einer elektronischen Auslöseschaltung eines Auslösesystems ausgenutzt.at the protection unit according to the invention is against a part of the already existing, comparatively high to very high energy of the primary stream with cost-effective Means for supplying a - trained as a low-energy consumer Systems, z. B. a protection electronics in the form of an electronic Tripping circuit of a trip system exploited.

Da die Anordnung zur Gewinnung der Hilfsenergie der erfindungsgemäßen Schutzeinheit ein deutlich kleineres Bauvolumen als herkömmliche, auf dem transformatorischen Prinzip beruhende Wandler aufweist, ist auch die erfindungsgemäße Schutzeinheit als Ganzes wesentlich kleiner und zudem deutlich kostengünstiger herstellbar.There the arrangement for obtaining the auxiliary energy of the invention Protection unit a significantly smaller volume than conventional, having transformers based on the transformer principle, is also the protection unit according to the invention as Whole much smaller and also significantly cheaper produced.

In bevorzugter Ausgestaltung der neuen Schutzeinheit ist vorgesehen, dass das mit der Hilfsenergie zu speisende System ein Auslösesystem ist, das einen Abschaltmechanismus betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn angeordneter Schaltkontakte bewirkt, wobei der Generator mittels der Anschaltung an eine elektronische Auslöseschaltung und/oder eine auf den Abschaltmechanismus wirkende Betätigungseinrichtung des Auslösesystems angeschlossen ist.In preferred embodiment of the new protection unit is provided that the system to be fed with the auxiliary energy is a triggering system is that actuates a shut-off mechanism, which is the automatic Separation in the course of the current path arranged switching contacts causes wherein the generator by means of the connection to an electronic trigger circuit and / or an actuator acting on the shut-off mechanism the triggering system is connected.

Vorzugsweise ist dabei der Aktor ein Biegewandler und der Generator ein Linearwandler.Preferably In this case, the actuator is a bending transducer and the generator is a linear transducer.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der 2 und 3 näher beschrieben. Es zeigen:The invention will be further described with reference to the 2 and 3 described in more detail. Show it:

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltanordnung mit einer erfindungsgemäßen Schutzeinheit, die ein Auslösesystem und eine über eine Anschaltung an das Auslösesystem angeschlossene Anordnung zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Betrieb des Auslösesystems umfasst, und 2 a schematic representation of an electrical switching device according to the invention with a protection unit according to the invention, which comprises a triggering system and connected via an interface to the triggering system arrangement for obtaining auxiliary power for operating the triggering system, and

3 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Gewinnung der Hilfsenergie. 3 a schematic representation of the arrangement for obtaining the auxiliary energy.

Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltanordnung 101, die insbesondere ein Niederspannungs-Leistungsschalter sein kann, mit einer Schutzeinheit 102 (hier ein Überstromauslöser) zur Überwachung eines durch eine Strombahn 103 (Hauptstrompfad) fließenden Stromes, bei der ein Teil der Primärenergie des von Wechselstrom durchflossenen Hauptstrompfads bei Stromfluss zur Speisung einer elektronischen Auslöseschaltung 114 eines Auslösesystems 104 in elektrische Energie umgewandelt wird.The 2 shows an electrical circuit arrangement according to the invention 101 , which may be in particular a low-voltage circuit breaker, with a protection unit 102 (here an overcurrent release) to monitor one by a current path 103 (Main current path) of flowing current, in which a part of the primary energy of the current flowing through AC main current path at current flow to power an electronic trigger circuit 114 a triggering system 104 is converted into electrical energy.

Der Überstromauslöser betätigt in bekannter Weise in Abhängigkeit von vorgegebenen Parametern einen Abschaltmechanismus 105 in Form eines Schaltschlosses, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn angeordneter Schaltkontakte 106, 107 bewirkt, wobei ein Sensorsignal eines den Strom in der Strombahn 103 erfassenden Stromwandlers 109 an einem Signaleingang 110 der Auslöseschaltung 114 anliegt.The overcurrent release operates in a known manner in dependence on predetermined parameters a shutdown mechanism 105 in the form of a switching mechanism, the automatic separation in the course of the current path arranged switching contacts 106 . 107 causes, with a sensor signal of the current in the current path 103 detecting current transformer 109 at a signal input 110 the trigger circuit 114 is applied.

Die neue Schutzeinheit 102 weist eine Anordnung 108 zur Gewinnung der Hilfsenergie auf, die über eine Anschaltung 111 in Form einer Gleichrichterschaltung an zwei Eingänge 112, 113 zur Einsspeisung der Hilfsenergie angeschlossen ist und die Energieversorgung des Überstromauslösers sicherstellt.The new protection unit 102 has an arrangement 108 for obtaining the auxiliary power, via an interface 111 in the form of a rectifier circuit to two inputs 112 . 113 is connected to the supply of auxiliary power and ensures the power supply of the overcurrent release.

Gemäß der 3 weist die Anordnung 108 zur Gewinnung der Hilfsenergie einen als mechanisch-elektrischer Wandler ausgebildeten Generator 115, in Form eines piezoelektrischen Generators und ein den Generator 115 betätigendes Betätigungsglied 116 auf.According to the 3 has the arrangement 108 to obtain the auxiliary power designed as a mechanical-electrical converter generator 115 , in the form of a piezoelectric generator and a generator 115 actuating actuator 116 on.

Das Betätigungsglied 116 ist ein vom elektromagnetischen Feld der Strom durchflossenen Strombahn 103 beaufschlagter, als magnetisch-mechanischer Wandler ausgebildeter Aktor, in Form eines magnetostriktiven Aktors. Dieser Aktor ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein ferromagnetischer Biegeaktor, der in bekannter Weise das äußere magnetische Feld der Wechselstrom durchflossenen Strombahn 103 infolge Volumenänderung, die quadratisch vom magnetischen Feld abhängt, in eine Biegung umsetzt. Das Betätigungselement setzt also magnetische in mechanische Energie um und fungiert als Übertrager zwischen Strombahn 103 und Generator 115.The actuator 116 is a current flowing through the electromagnetic field of the current path 103 acted as a magneto-mechanical transducer trained actuator, in the form of a magnetostrictive actuator. This actuator is in the illustrated embodiment, a ferromagnetic bending actuator, which in a known manner, the outer magnetic field of the alternating current flowing through the current path 103 due to volume change, which depends quadratically on the magnetic field, turns into a bend. The actuator thus converts magnetic into mechanical energy and acts as a transformer between the current path 103 and generator 115 ,

Als Betätigungsglied kann aber auch ein elektrisch-mechanischer Aktor, beispielsweise ein elektrostriktiver Aktor vorgesehen sein, der das äußere elektrische Feld in eine Volumenänderung umsetzt.As an actuator but also an electrically-mechanical actuator, such as an electrostrictive actuator may be provided, which is the extern ere electric field converts into a volume change.

Der in der Strombahn 103 – also im Hauptstrompfad der elektrischen Schaltanordnung 101 – vorhandene Wechselstromfluss regt das in einem ersten festen Lager 117 verankerte Betätigungsglied 116 zur Schwingung an. Diese Schwingung wird durch eine geeignete mechanische Kopplung auf den piezoelektrischen Generator 115 übertragen, der hier als Linearwandler ausgebildet ist und der in bekannter Weise aus einem einzelnen Piezoelement oder aus einer Kombination von Piezoelementen bestehen kann.The one in the stream 103 - So in the main current path of the electrical switching device 101 - existing AC current stimulates that in a first fixed bearing 117 anchored actuator 116 to the vibration. This vibration is achieved by a suitable mechanical coupling to the piezoelectric generator 115 transmitted, which is designed here as a linear transducer and may consist of a single piezoelectric element or a combination of piezoelectric elements in a known manner.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Betätigungsglied 116 und der Generator 115 mittels einer Klebeschicht 117 mechanisch aneinander gekoppelt. Der piezoelektrische Generator wird durch die Schwingung gegen ein zweites festes Lager 118 komprimiert/dekomprimiert und erzeugt so an Ausgängen 121, 122 seiner elektrischen Anschlussleitungen 119, 120 eine Spannung. Diese Spannung stellt über die Anschaltung 111 die Energiequelle der elektronischen Auslöseschaltung 114 des Auslösesystems 104 dar.In the illustrated embodiment, the actuator 116 and the generator 115 by means of an adhesive layer 117 mechanically coupled to each other. The piezoelectric generator is vibrated against a second fixed bearing 118 Compresses / decompresses and thus produces at outputs 121 . 122 its electrical connection lines 119 . 120 a tension. This voltage is set via the interface 111 the power source of the electronic trip circuit 114 of the triggering system 104 represents.

Die Anschaltung 111 kann aber alternativ oder zusätzlich auch an eine hier nicht dargestellte, auf den Abschaltmechanismus wirkende Betätigungseinrichtung des Auslösesystems 104 angeschlossen sein, so wie dies bereits aus der Patentschrift EP 1 016 112 B1 bekannt ist.The connection 111 but may alternatively or additionally also to a not shown here, acting on the shutdown actuator of the triggering system 104 be connected, as already from the patent EP 1 016 112 B1 is known.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- EP 1016112 B1 [0007, 0010, 0027]
- DE 10340003 B4 [0011]

Claims

Protection unit ( 102 ) for monitoring by a flow path ( 103 ) flowing current on the basis of predetermined parameters, - with a system to be fed to its operation with an auxiliary energy ( 104 ) and - with an arrangement ( 108 ) for obtaining the auxiliary energy, which by means of a connection ( 111 ) to the system ( 104 ), the arrangement ( 108 ) for generating the auxiliary energy designed as a mechanical-electrical converter generator ( 115 ) in particular a piezoelectric generator and a generator ( 115 ) actuated actuator ( 116 ), characterized in that the actuator ( 116 ) a current traversed by the electromagnetic field of the current ( 103 ), acted as an electro-mechanical or magnetic-mechanical converter actuator, in particular a magnetostrictive actuator.

Protection unit ( 102 ) according to claim 1, characterized in that the system to be fed with the auxiliary energy ( 104 ) is a triggering system that provides a shutdown mechanism ( 105 ) actuated by the automatic separation in the course of the current path arranged switching contacts ( 106 . 107 ), the generator ( 115 ) by means of the connection ( 111 ) to an electronic trigger circuit ( 114 ) and / or acting on the shutdown actuator of the triggering system ( 104 ) connected.

Protection unit ( 102 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the actuating element ( 116 ) forming actuator is a bending transducer.

Protection unit ( 102 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the generator ( 115 ) is a linear transducer.

Electrical switching arrangement ( 101 ), in particular low-voltage circuit breaker, with at least two in the course of a current path ( 103 ) arranged switching contacts ( 106 . 107 ), which can be disconnected if, as a result of the flow path ( 103 ) flowing current certain thresholds of predetermined parameters are exceeded, and with a protection unit ( 102 ) for monitoring by the current path ( 103 ) flowing current based on the predetermined parameters, characterized in that the protection unit ( 102 ) is designed according to one of claims 1 to 4.